JP2018061883A - 血管形状及び生理学から血流特性を推定するシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】患者固有の血流特性を推定するシステム及び方法が開示されている。1つの方法は、複数の個体のそれぞれについて、個体の血管系の少なくとも一部の形状モデル及び推定血流特性を取得することと、複数の個体のそれぞれについての形状モデル及び推定血流特性に対して機械学習アルゴリズムを実行することと、機械学習アルゴリズムを使用して、形状モデルにおける複数点に対応する血流特性を予測する特徴を識別することと、患者について、患者の血管系の少なくとも一部の形状モデルを取得することと、識別された特徴を使用して患者の形状モデルにおける複数点のそれぞれについての患者の血流特性の推定値を生成することと、を含む。
【選択図】図2
Description
本特許出願は、2012年9月12日に出願された米国仮特許出願第61/700,213号に対する米国特許法119条に基づく優先権の利益を主張する2013年5月16日に出願された米国特許出願第13/895,893号に対する優先権を主張し、その全体の開示がそれらの全体において参照することによって本願明細書に組み込まれる。
本開示の様々な実施形態は、一般に、医療イメージング及び関連する方法に関する。より具体的には、本開示の特定の実施形態は、血管形状及び生理学から患者固有の血流特性を推定するシステム及び方法に関する。
(項目1)
患者固有の血流特性を判定する方法であって、
複数の個体のそれぞれについて、前記個体の血管系の少なくとも一部の形状モデル及び血流特性を取得することと、
前記複数の個体のそれぞれについての前記形状モデル及び血流特性に対して機械学習アルゴリズムを実行することと、
前記機械学習アルゴリズムを使用して、前記形状モデルにおける複数点に対応する血流特性を予測する特徴を識別することと、
患者について、前記患者の血管系の少なくとも一部の形状モデルを取得することと、
前記識別された特徴を使用して前記患者の形状モデルにおける少なくとも1つの点についての前記患者の血流特性を判定することと、を含む、方法。
(項目2)
前記複数の個体のそれぞれについて、1つ以上の生理学的パラメータを取得することと、
前記1つ以上の生理学的パラメータにさらに基づいて前記機械学習アルゴリズムを実行することと、をさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記機械学習アルゴリズムを実行することが、
前記複数の個体のそれぞれについての前記形状モデルにおける複数点について、前記点又は前記生理学的パラメータの特徴ベクトルを作成することと、
前記複数の個体のそれぞれについての前記特徴ベクトルを前記対応する個体の前記血流特性に関連付けることと、を含む、項目2に記載の方法。
(項目4)
前記機械学習アルゴリズムを実行することが、
前記関連付けられた特徴ベクトルに基づいて様々な点における血流特性を予測するように前記機械学習アルゴリズムをトレーニングすることをさらに含む、項目3に記載の方法。
(項目5)
各特徴ベクトルが、
収縮期及び拡張期血圧、心拍数、血液特性、個体年齢、個体性別、個体身長、個体体重、疾患の有無、ライフスタイル特性、大動脈の形状特性及び冠動脈枝の形状特性のうちの1つ以上を含む、項目3に記載の方法。
(項目6)
各特徴ベクトルが、断面積特徴セット、強度特徴セット、表面特徴セット、体積特徴セット、中心線特徴セット及び簡略化された物理的特徴セットのうちの1つ以上を含む、項目3に記載の方法。
(項目7)
前記機械学習アルゴリズムを使用して、前記形状モデルにおける複数点に対応する血流特性を予測する特徴の重みを識別することと、
前記識別された重みを記憶装置に記憶することと、をさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目8)
前記識別された特徴を使用して前記患者の血流特性を判定することが、
前記患者の形状モデルにおける複数点のそれぞれについて、前記複数の個体のそれぞれについて取得された特徴ベクトルに対応する前記患者の生理学的パラメータの特徴ベクトルを作成することを含む、項目2に記載の方法。
(項目9)
前記生理学的パラメータが、心拍数、ヘマトクリット値、血圧、血液粘度、個体年齢、個体性別、個体体重、個体のライフスタイル特性、及び、供給された組織の質量のうちの1つ以上を含む、項目2に記載の方法。
(項目10)
前記機械学習アルゴリズムが、サポートベクトルマシン(SVM)、多層パーセプトロン(MLP)、多変量回帰(MVR)、ツリーベースの分類、及び、重み付き線形又はロジスティック回帰のうちの1つ以上を含む、項目1に記載の方法。
(項目11)
前記患者の形状モデルにおける少なくとも1つの点についての前記患者の前記判定された血流特性を医師に表示すること、又はネットワークを介して前記判定された血流特性を送信することをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目12)
患者固有の血流特性を推定するシステムであって、
患者固有の血流特性を判定するための命令を記憶するデータ記憶装置と、
プロセッサであって、
複数の個体のそれぞれについて、前記個体の血管系の少なくとも一部の形状モデル及び血流特性を取得するステップと、
前記複数の個体のそれぞれについて、前記形状モデル及び血流特性に対して機械学習アルゴリズムを実行するステップと、
前記機械学習アルゴリズムを使用して、前記形状モデルにおける複数点に対応する血流特性を予測する特徴を識別するステップと、
患者について、前記患者の血管系の少なくとも一部の形状モデルを取得するステップと、
前記識別された特徴を使用して前記患者の形状モデルにおける少なくとも1つの点についての前記患者の血流特性を判定するステップと、を含む方法を実行するための前記命令を実行するように構成されるプロセッサと、を備える、システム。
(項目13)
前記プロセッサが、
複数の個体のそれぞれについて、1つ以上の生理学的パラメータを取得し、
前記1つ以上の生理学的パラメータにさらに基づいて前記機械学習アルゴリズムを実行するようにさらに構成される、項目12に記載のシステム。
(項目14)
前記機械学習アルゴリズムを実行するステップが、
前記複数の個体のそれぞれについての前記形状モデルにおける複数点について、前記生理学的パラメータの特徴ベクトルを作成するステップと、
前記複数の個体のそれぞれについての前記特徴ベクトルを前記対応する前記個体の血流特性に関連付けるステップと、を含む、項目13に記載のシステム。
(項目15)
前記機械学習アルゴリズムを実行するステップが、
前記関連付けられた特徴ベクトルに基づいて様々な点における血流特性を予測するように前記機械学習アルゴリズムをトレーニングするステップをさらに含む、項目14に記載のシステム。
(項目16)
各特徴ベクトルが、
収縮期及び拡張期血圧、心拍数、血液特性、個体年齢、個体性別、個体身長、個体体重、疾患の有無、ライフスタイル特性、大動脈の形状特性及び冠動脈枝の形状特性のうちの1つ以上を含む、項目14に記載のシステム。
(項目17)
各特徴ベクトルが、断面積特徴セット、強度特徴セット、表面特徴セット、体積特徴セット、中心線特徴セット及び簡略化された物理的特徴セットのうちの1つ以上を含む、項目14に記載のシステム。
(項目18)
前記プロセッサが、
前記機械学習アルゴリズムを使用して、前記形状モデルにおける複数点に対応する血流特性を予測する特徴の重みを識別し、
前記識別された重みを記憶装置に記憶するようにさらに構成される、項目12に記載のシステム。
(項目19)
前記識別された特徴を使用して前記患者の血流特性を判定するステップが、
前記患者の形状モデルにおける複数点のそれぞれについて、前記複数の個体のそれぞれについて取得された特徴ベクトルに対応する前記患者の生理学的パラメータの特徴ベクトルを作成するステップを含む、項目13に記載のシステム。
(項目20)
前記生理学的パラメータが、心拍数、ヘマトクリット値、血圧、血液粘度、個体年齢、個体性別、個体体重、個体のライフスタイル特性、及び、供給された組織の質量のうちの1つ以上を含む、項目13に記載のシステム。
(項目21)
前記機械学習アルゴリズムが、サポートベクトルマシン(SVM)、多層パーセプトロン(MLP)、多変量回帰(MVR)、及び、重み付き線形又はロジスティック回帰のうちの1つ以上を含む、項目12に記載のシステム。
(項目22)
コンピュータによって実行された場合に、前記コンピュータに方法を実行させる命令を記憶する非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体であって、前記方法が、
複数の個体のそれぞれについて、前記個体の血管系の少なくとも一部の形状モデル及び推定血流特性を取得することと、
前記複数の個体のそれぞれについての前記形状モデル及び血流特性に対して機械学習アルゴリズムを実行することと、
前記機械学習アルゴリズムを使用して、前記形状モデルにおける複数点に対応する血流特性を予測する特徴を識別することと、
患者について、前記患者の血管系の少なくとも一部の形状モデルを取得することと、
前記識別された特徴を使用して前記患者の形状モデルにおける少なくとも1つの点についての前記患者の血流特性を判定することと、を含む、媒体。
一般的な実施形態において、サーバシステム106は、電子ネットワーク100を介して医師102及び/又は第三者プロバイダ104から受信した画像及びデータに基づいてトレーニングモードを実行してもよい。具体的には、1人以上の患者について、サーバシステム106は、以下の項目、すなわち、(a)1つ以上の患者の血管についての形状の患者固有のモデル、(b)患者の1つ以上の測定又は推定された生理学的又は表現型のパラメータのリスト、及び/又は、(c)予測のために標的とされる全ての血流特性の測定値、推定値又はシミュレート値のディジタル表現(例えば、コンピュータ、ラップトップ、DSP、サーバなどの計算装置のメモリ又はディジタル記憶装置[例えば、ハードドライブ、ネットワークドライブ])を取得する場合がある。1つの実施形態において、形状の患者固有のモデルは、空間が点間の空間的単位(例えば、ミリメートル)にマッピングすることができる(おそらく各点についての近傍のリストを有する)空間内の点のリストによって表される場合がある。1つの実施形態において、患者の1つ以上の測定又は推定された生理学的又は表現型のパラメータのリストは、血圧、血液粘度、患者年齢、患者性別、供給された組織の質量などを含む場合がある。これらの患者固有のパラメータは、全体的であってもよく(例えば、血圧)又は局所的であってもよい(例えば、特定の位置における血管壁の推定密度)。
1つの例示的な実施形態において、サーバシステム106は、電子ネットワーク100を介して医師102及び/又は第三者プロバイダ104から受信した画像及びデータに基づいてトレーニングモードを実行する場合がある。具体的には、1人以上の患者について、サーバシステム106は、以下の項目、すなわち、(a)患者の上行大動脈及び冠動脈樹についての形状の患者固有のモデル、(b)患者の測定又は推定された生理学的又は表現型パラメータのリスト、及び、(c)利用可能な場合にはFFRの測定値のディジタル表現(例えば、コンピュータ、ラップトップ、DSP、サーバなどの計算装置のメモリ又はディジタル記憶装置[例えば、ハードドライブ、ネットワークドライブ])を取得することができる。
式中、pは、中心線の座標である。
式中、pは、中心線の座標である。
としてサンプリングされた各位置におけるFFRを算出することができる。断面積の最小値又は血管半径よりも小さい間隔の位置を、サンプリング位置に使用してもよい。サーバシステム106は、FFRiを使用して中心線に沿ってFFRを補間し、FFR値を3次元表面メッシュノードに投影し、αi、βi、γiを変え、パラメータを乱すために上記定義された特徴セットを使用することなどによってトレーニングのために必要に応じてFFR推定値の新たなセットを得てもよく、ここで、αi、βiは、疾患の長さ、狭窄の程度、及び、先細りした血管を構成する先細り比率の関数とすることができ、Qiは、抵抗境界条件(出口抵抗∝出口面積−1.35)としての同じスケーリング則に基づいて各出口の分散流れを合計することによって判定することができる。しかしながら、新たなスケーリング則及び充血仮定を採用することができ、この特徴ベクトルは、その点におけるFFRの値を測定と関連付けるか又はシミュレートする場合がある。サーバシステム106はまた、その点における特徴ベクトルからその点における血流特性を予測するために線形SVMをトレーニングし、ディジタル表現(例えば、コンピュータ、ラップトップ、DSP、サーバなどの計算装置のメモリ又はディジタル記憶装置[例えば、ハードドライブ、ネットワークドライブ])としてSVMの結果を保存してもよい。
Claims (21)
- 患者の虚血を推定するためのシステムの作動方法であって、前記作動方法は、
複数の個体のそれぞれに対して、(1)血管断面積を含む個体固有の解剖学的データと、(2)それぞれの個体の血管系の少なくとも一部の1つ以上の点における虚血のしるしとを取得することと、
前記複数の個体のそれぞれに対して、機械学習アルゴリズムを使用して前記個体固有の解剖学的データとそれぞれの個体の血管系の1つ以上の点における虚血との間に学習した関連付けを生成するために、前記複数の個体のうちのある個体の血管系の1つ以上の点における虚血を予測するように機械学習アルゴリズムをトレーニングすることと、
前記複数の個体と異なる患者に対して、前記患者の血管系の少なくとも一部の、血管断面積を含む患者固有の解剖学的データを取得することと、
前記患者の血管系内の少なくとも1つの点に対して、前記トレーニングされた機械学習アルゴリズムを使用して前記患者の虚血のしるしを判定することと、
画像、レンダリング、値のテーブル、又は報告を含む媒体のうちの1つ以上に、前記患者の前記判定された虚血のしるしを生成及び表示又は記憶することと
を含む、作動方法。 - 前記複数の個体のそれぞれに対して、1つ以上の個体特性を取得することと、
前記複数の個体のそれぞれに対して、前記個体の血管系の1つ以上の点における血流特性の機能的推定を受信することと、
前記複数の個体のそれぞれに対して、前記個体固有の解剖学的データ、前記1つ以上の個体特性、前記血流特性の機能的推定、及び前記機械学習アルゴリズムのための管理されたトレーニングデータとしての前記虚血のしるしを使用して、前記機械学習アルゴリズムをさらにトレーニングすることと、
前記複数の個体と異なる前記患者に対して、1つ以上の患者特性を取得することと
をさらに含む、請求項1に記載の作動方法。 - 前記患者又は前記複数の個体の虚血のしるしは、虚血の重症度の分類、血流特性、又は血流予備量比値のうちの1つ以上を含む、請求項1に記載の作動方法。
- 前記患者の虚血のしるしを判定することは、
前記血流特性の機能的推定上の前記個体固有の解剖学的データの効果を重み付けるように前記機械学習アルゴリズムをトレーニングすることと、
前記患者の血管系内の少なくとも1つの点に対して、前記トレーニングされた機械学習アルゴリズムを使用して、前記患者に対して血流特性を数値的に推定することと、
前記患者の血管系内の少なくとも1つの点に対して、前記推定された血流特性を使用して前記患者の虚血のしるしを判定することと
を含む、請求項2に記載の作動方法。 - 前記個体特性又は前記患者特性は、心拍数、血圧、年齢、性別、投薬、疾患状態、糖尿病の有無、高血圧、血管ドミナンス、及び既往の心筋梗塞(MI)のうちの1つ以上を含む、請求項2に記載の作動方法。
- 前記患者の前記判定された虚血のしるしと共に、信頼レベル、又は、正、負、又は決定的でない指示を表示することをさらに含む、請求項1に記載の作動方法。
- 前記血流特性の機能的推定は、解析的流体動的方程式及び形態計測スケーリング則のうちの1つ以上に基づく、請求項2に記載の作動方法。
- 前記個体固有又は前記患者固有の解剖学的データは、血管サイズ、心門における血管サイズ、遠枝における血管サイズ、プラークにおける基準及び最小血管サイズ、心門からプラークまでの距離、プラークの長さ及び最小血管サイズの長さ、心筋体積、測定位置に対して近位/遠位の枝、プラークに対して近位/遠位の枝、並びに測定位置のうちの1つ以上を含む、請求項1に記載の作動方法。
- 血流予備量比(FFR)、虚血検査結果、以前のシミュレーション結果、及びイメージングデータと共に、前記個体固有又は前記患者固有の解剖学的データ及び前記個体特性又は前記患者特性のライブラリ又はデータベースをコンパイルすることをさらに含む、請求項2に記載の作動方法。
- 前記ライブラリ又はデータベースに追加されるさらなるデータに基づいて前記機械学習アルゴリズムを改良することをさらに含む、請求項9に記載の作動方法。
- 前記個体固有の解剖学的データ又は前記患者固有の解剖学的データは、医療画像データ、測定、モデル、及びセグメント化のうちの1つ以上から取得される、請求項9に記載の作動方法。
- 患者の虚血を推定するためのシステムであって、前記システムは、
患者の虚血を推定するための命令を記憶するデータ記憶デバイスと、
方法を行うように前記命令を実行するように構成されたプロセッサと
を備え、
前記方法は、
複数の個体のそれぞれに対して、(1)血管断面積を含む個体固有の解剖学的データと、(2)それぞれの個体の血管系の少なくとも一部の1つ以上の点における虚血のしるしとを取得するステップと、
前記複数の個体のそれぞれに対して、機械学習アルゴリズムを使用して前記個体固有の解剖学的データとそれぞれの個体の血管系の1つ以上の点における虚血との間に学習した関連付けを生成するために、前記複数の個体のうちのある個体の血管系の1つ以上の点における虚血を予測するように機械学習アルゴリズムをトレーニングするステップと、
前記複数の個体と異なる患者に対して、前記患者の血管系の少なくとも一部の、血管断面積を含む患者固有の解剖学的データを取得するステップと、
前記患者の血管系内の少なくとも1つの点に対して、前記トレーニングされた機械学習アルゴリズムを使用して前記患者の虚血を判定するステップと、
画像、レンダリング、値のテーブル、又は報告を含む媒体のうちの1つ以上に、前記患者の前記判定された虚血のしるしを生成及び表示又は記憶するステップと
を含む、システム。 - 前記プロセッサは、
前記複数の個体のそれぞれに対して、1つ以上の個体特性を取得することと、
前記複数の個体のそれぞれに対して、前記個体の血管系の1つ以上の点における血流特性の機能的推定を受信することと、
前記複数の個体のそれぞれに対して、前記個体固有の解剖学的データ、前記1つ以上の個体特性、前記血流特性の機能的推定、及び前記機械学習アルゴリズムのための管理されたトレーニングデータとしての前記虚血のしるしを使用して、前記機械学習アルゴリズムをさらにトレーニングすることと、
前記複数の個体と異なる前記患者に対して、1つ以上の患者特性を取得することと
を行うためにさらに構成されている、請求項12に記載のシステム。 - 前記患者又は前記複数の個体の虚血のしるしは、虚血の重症度の分類、血流特性、又は血流予備量比値のうちの1つ以上を含む、請求項12に記載のシステム。
- 前記患者の虚血のしるしを判定することは、
前記血流特性の機能的推定上の前記個体固有の解剖学的データの効果を重み付けるように前記機械学習アルゴリズムをトレーニングすることと、
前記患者の血管系内の少なくとも1つの点に対して、前記トレーニングされた機械学習アルゴリズムを使用して、前記患者に対して血流特性を数値的に推定することと、
前記患者の血管系内の少なくとも1つの点に対して、前記推定された血流特性を使用して前記患者の虚血のしるしを判定することと
を含む、請求項13に記載のシステム。 - 前記個体特性又は前記患者特性は、心拍数、血圧、年齢、性別、投薬、疾患状態、糖尿病の有無、高血圧、血管ドミナンス、及び既往の心筋梗塞(MI)のうちの1つ以上を含む、請求項13に記載のシステム。
- 前記プロセッサは、前記患者の前記判定された虚血のしるしと共に、信頼レベル、又は、正、負、又は決定的でない指示を表示するためにさらに構成されている、請求項12に記載のシステム。
- 前記血流特性の機能的推定は、解析的流体動的方程式及び形態計測スケーリング則のうちの1つ以上に基づく、請求項13に記載のシステム。
- 命令を記憶する非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体であって、前記命令は、コンピュータによって実行されるとき、前記コンピュータに、
複数の個体のそれぞれに対して、(1)血管断面積を含む個体固有の解剖学的データと、(2)それぞれの個体の血管系の少なくとも一部の1つ以上の点における虚血のしるしとを取得することと、
前記複数の個体のそれぞれに対して、機械学習アルゴリズムを使用して前記個体固有の解剖学的データとそれぞれの個体の血管系の1つ以上の点における虚血との間に学習した関連付けを生成するために、前記複数の個体のうちのある個体の血管系の1つ以上の点における虚血を予測するように機械学習アルゴリズムをトレーニングすることと、
前記複数の個体と異なる患者に対して、前記患者の血管系の少なくとも一部の、血管断面積を含む患者固有の解剖学的データを取得することと、
前記患者の血管系内の少なくとも1つの点に対して、前記トレーニングされた機械学習アルゴリズムを使用して前記患者の虚血のしるしを判定することと、
画像、レンダリング、値のテーブル、又は報告を含む媒体のうちの1つ以上に、前記患者の前記判定された虚血のしるしを生成及び表示又は記憶することと
を含む方法を行わせる、コンピュータ読み取り可能な媒体。 - 前記方法は、
前記複数の個体のそれぞれに対して、1つ以上の個体特性を取得することと、
前記複数の個体のそれぞれに対して、前記個体の血管系の1つ以上の点における血流特性の機能的推定を受信することと、
前記複数の個体のそれぞれに対して、前記個体固有の解剖学的データ、前記1つ以上の個体特性、前記血流特性の機能的推定、及び前記機械学習アルゴリズムのための管理されたトレーニングデータとしての前記虚血のしるしを使用して、前記機械学習アルゴリズムをさらにトレーニングすることと、
前記複数の個体と異なる前記患者に対して、1つ以上の患者特性を取得することと
をさらに含む、請求項19に記載のコンピュータ読み取り可能な媒体。 - 前記機械学習アルゴリズムは、サポートベクトルマシン(SVM)、多層パーセプトロン(MLP)、多変量回帰(MVR)、及び、重み付き線形又はロジスティック回帰のうちの1つ以上を含む、請求項19に記載のコンピュータ読み取り可能な媒体。
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